一种偏振不敏感的空间光混频器的制作方法

1.本发明涉及自由空间光通信设备技术领域，特别涉及一种偏振不敏感的空间光混频器。


背景技术：

2.在相干光通信中，相干检测需要使用光混频器来叠加接收的光信号和本振光信号，使用空间光器件构成的光混频器具有插入损耗小、稳定性高、成本低等优点。光混频器要求接收光信号的偏振态与本振光的偏振态匹配，当两者的偏振态一致时，拍频效率最高，如果偏振态互为垂直，拍频信号完全抵消，导致无法正常接收。然而信号光经过信道传输，偏振态会发生随机变化，无法保证信号光和本振光的偏振态一致，从而难以实现稳定的混频。例如专利cn103257402a（公开日2013.08.21）提出了一种结构简单的空间光混频器，可以实现对 dp-qpsk 光信号的解调，但是要求本振光与信号光的偏振态相同。
3.针对上述问题，专利cn105353520a（公开日2016.02.24）提供了一种高混频效率的空间光混频器，采用电控偏振控制器来调整本振光的偏振态使其与信号光的偏振态保持一致，但是该方案需要分配10%的信号功率给反馈控制电路实时调节偏振控制器，增加了系统的复杂度，且无法应对恶劣环境影响导致偏振的高速变化。专利cn110824719a（公开日2020.02.21）的方案类似，也是通过检测部分光信号的偏振态来对进行本振光的偏振态进行反馈控制。专利cn102142901a（公开日2011.08.03）的方案虽然无需任何主动控制模块，但是输出光信号达到了16路，大大增加了探测器的数量和后续处理电路的复杂度。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种偏振不敏感的空间光混频器。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种偏振不敏感的空间光混频器，包括半波片和调相器，以及第一偏振分束界面、第二偏振分束界面、第一分束界面、第二分束界面、第一反射界面和第二反射界面，所述半波片的主轴方向与水平方向夹角为22.5
°
，用于将水平偏振的本振光旋转45
°
变为45
°
线偏振光；所述调相器用于调制45
°
线偏振本振光的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的相位差φ；所述第一偏振分束界面和第二偏振分束界面分别位于第一分束界面和第二分束界面构成的同一平面两侧，所述第一分束界面和第二分束界面分别位于第一偏振分束界面和第二偏振分束界面构成的另一个平面两侧，并且两个平面垂直交叉；所述第一反射界面和第二反射界面等间距地位于第一偏振分束界面和第二偏振分束界面所构成平面的两侧，并均与之平行；所述半波片与调相器的入射界面相互平行，且均与第二偏振分束界面夹角为45
°
，使本振光入射方向与半波片和调相器的入射界面垂直，并与第二偏振分束界面的夹角为
45
°
；所述第一偏振分束界面用于将信号光偏振分束，产生水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光；所述第二偏振分束界面用于将经过偏振旋转和相位调制的本振光偏振分束，产生水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光；所述第一分束界面用于使第一信号光和第一本振光进行干涉，产生水平偏振的第一干涉光和第二干涉光；所述第二分束界面用于使第二信号光和第二本振光进行干涉，产生竖直偏振的第三干涉光和第四干涉光；所述第一反射界面用于反射第一干涉光和第二干涉光；所述第二反射界面用于反射第三干涉光和第四干涉光；所述第一偏振分束界面还用于使第一干涉光和第三干涉光进行偏振合束，产生第一混频光；所述第二偏振分束界面还用于使第二干涉光和第四干涉光进行偏振合束，产生第二混频光。
6.优选地，所述第一偏振分束界面、第二偏振分束界面分别对应地由第一偏振分束镜、第二偏振分束镜的偏振分束界面构成；所述第一分束界面、第二分束界面分别对应地由第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜的分束界面构成。
7.优选地，所述第一反射界面和第二反射界面分别对应地由第一直角棱镜和第二直角棱镜的反射面构成。
8.优选地，所述第一反射界面和第二反射界面分别对应地由第一反射镜和第二反射镜的反射面构成。
9.优选地，所述第一偏振分束镜和第二偏振分束镜的尺寸相同，长和宽均为2l，高为l；所述第一非偏振分束镜和第二非偏振分束镜为立方体，长宽高均为l；所述第一偏振分束镜的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜的第一光束入射界面、第二非偏振分束镜的第一光束入射界面贴合；所述第二偏振分束镜的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜的第二光束入射界面、第二非偏振分束镜的第二光束入射界面贴合；所述调相器的光束入射界面与半波片的光束出射界面贴合，光束出射界面与第二偏振分束镜的光束入射界面贴合，使得调相器与第一非偏振分束镜分别处于第二偏振分束镜的两侧。
10.优选地，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的尺寸相同，两个直角边长均为2l，高为l，斜面外侧镀有反射膜；所述第一直角棱镜的一个直角面与第一偏振分束镜的光束反射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜的光束反射界面相对的面处于同一平面；所述第二直角棱镜的一个直角面与第一偏振分束镜的光束透射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜的光束透射界面相对的面处于同一平面。
11.优选地，所述调相器进行动态调相，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间
的相位差相差π/2。
12.与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出一种偏振不敏感的空间混频器，通过将输入信号光进行偏振分束，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，只需要对其中一个本振光分量进行调相，即可实现偏振不敏感光混频，而不受信号光偏振变化的影响。本发明适用于任意偏振态的信号光，结构简单，具有较高的稳定性。
附图说明
13.图1为本发明偏振不敏感的空间光混频器的原理图；图2为本发明偏振不敏感的空间光混频器的结构示意图；图3为本发明偏振不敏感的空间光混频器的光路示意图。
14.图中：半波片1，调相器2，第一偏振分束界面3，第二偏振分束界面4，第一分束界面5，第二分束界面6，第一反射界面7，第二反射界面8，第一偏振分束镜9，第二偏振分束镜10，第一非偏振分束镜11，第二非偏振分束镜12，第一直角棱镜13，第二直角棱镜14。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
16.如图1所示，一种偏振不敏感的空间光混频器，包括半波片1和调相器2，以及第一偏振分束界面3、第二偏振分束界面4、第一分束界面5、第二分束界面6、第一反射界面7和第二反射界面8，所述半波片1的主轴方向与水平方向夹角为22.5
°
，用于将水平偏振的本振光旋转45
°
变为45
°
线偏振光；所述调相器2用于调制45
°
线偏振本振光的水平偏振分量和竖直偏振分量之间的相位差；所述第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4分别位于第一分束界面5和第二分束界面6构成的同一平面两侧，所述第一分束界面5和第二分束界面6分别位于第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4构成的另一个平面两侧，并且所述两个平面垂直交叉；所述第一反射界面7和第二反射界面8等间距地位于第一偏振分束界面3和第二偏振分束界面4所构成平面的两侧，并均与之平行，同时二者与第一分束界面5和第二分束界面6构成的平面垂直；所述半波片1与调相器2的入射界面相互平行，且均与第二偏振分束界面4夹角为45
°
，使本振光入射方向与半波片1和调相器2的入射界面垂直，并与第二偏振分束界面4的夹角为45
°
；所述第一偏振分束界面3用于将信号光偏振分束，产生水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光；所述第二偏振分束界面4用于将经过偏振旋转和相位调制的本振光偏振分束，产生水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光；所述第一分束界面5用于使第一信号光和第一本振光进行干涉，产生水平偏振的第一干涉光和第二干涉光；
所述第二分束界面6用于使第二信号光和第二本振光进行干涉，产生竖直偏振的第三干涉光和第四干涉光；所述第一反射界面7用于反射第一干涉光和第二干涉光；所述第二反射界面8用于反射第三干涉光和第四干涉光；所述第一偏振分束界面3还用于使第一干涉光和第三干涉光进行偏振合束，产生第一混频光；所述第二偏振分束界面4还用于使第二干涉光和第四干涉光进行偏振合束，产生第二混频光；所述调相器2进行动态调相，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。
17.具体工作原理如下：信号光的偏振态可写为其中，分别为信号光的频率、初始相位、正交偏振分量之间的相位差。信号光首先入射到第一偏振分束界面3，被分束成水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光。
18.同时，水平偏振的本振光入射到半波片1，偏振旋转45
°
后被调相器2调制正交偏振分量相位差φ，偏振态可写为其中，分别为本振光的幅度、频率、初始相位。随后入射至第二偏振分束界面4，被分束成水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光。其中，水平偏振的第一信号光和第一本振光同时到达第一分束界面5处进行干涉，产生第一干涉光和第二干涉光，二者可分别写为竖直偏振的第二信号光和第二本振光同时到达第二分束界面6处进行干涉，产生第三干涉光和第四干涉光，二者可分别写为第一干涉光经第一反射界面7反射、第三干涉光经第二反射界面8反射后同时到达
第一偏振分束界面3，进行偏振合束，产生第一混频光为第二干涉光经第一反射界面7反射、第四干涉光经第二反射界面8反射后同时到达第二偏振分束界面4，进行偏振合束，产生第二混频光为使用平衡探测器对第一混频光和第二混频光进行光电转换，产生的差分电流为其中，r为探测器的响应系数，为中频信号。
19.由于信号光的偏振变化是缓变过程，也是缓变的，可以根据输出信号大小，结合pid控制算法动态调节使得时，差分电流为可以明显看出，信号光的偏振角信息转化成了中频信号的相位信息，输出中频信号的振幅大小与偏振角无关，即信号光的任何偏振态起伏都不会影响到中频信号的幅度解调，也不会降低外差探测的接收灵敏度。因此，通过对第二本振光调节相位，可以消除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳定的光学混频。
20.如图2所示，实施例：所述偏振不敏感的空间光混频器结构为：所述第一偏振分束界面3、第二偏振分束界面4分别对应地由第一偏振分束镜9、第二偏振分束镜10的偏振分束界面构成；所述第一分束界面5、第二分束界面6分别对应地由第一非偏振分束镜11、第二非偏振分束镜12的分束界面构成；所述第一反射界面7和第二反射界面8分别对应地由第一直角棱镜13和第二直角棱镜14的反射面构成；所述第一偏振分束镜9和第二偏振分束镜10的尺寸相同，长和宽均为2l，高为l；所述第一非偏振分束镜11和第二非偏振分束镜12为立方体，长宽高均为l；所述第一偏振分束镜9的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜11的第一光束入射界面、第二非偏振分束镜12的第一光束入射界面贴合；所述第二偏振分束镜10的光束透射界面、光束反射界面分别对应与第一非偏振分束镜11的第二光束入
射界面、第二非偏振分束镜12的第二光束入射界面贴合；所述调相器2一侧与半波片1贴合，另一侧与第二偏振分束镜10贴合，使得调相器2与第一非偏振分束镜11分别处于第二偏振分束镜10的两侧；所述第一直角棱镜13和第二直角棱镜14的尺寸相同，两个直角边长均为2l，高为l，斜面外侧镀有反射膜；所述第一直角棱镜13的一个直角面与第一偏振分束镜9的光束反射界面相对的面处于同一平面，另一个直面与第二偏振分束镜10的光束反射界面相对的面处于同一平面；所述第二直角棱镜14的一个直角面与第一偏振分束镜9的光束透射界面相对的面处于同一平面，另一个直角面与第二偏振分束镜10的光束透射界面相对的面处于同一平面。
21.具体工作原理如下：信号光和本振光在空间光混频器内传输并进行混频的光路如图3所示。
22.信号光的偏振态可写为其中，分别为信号光的频率、初始相位、正交偏振分量之间的相位差。信号光首先入射到第一偏振分束镜9，在第一偏振分束界面3处被分束成水平偏振的第一信号光和竖直偏振的第二信号光。
23.同时，水平偏振的本振光入射到半波片1，偏振旋转45
°
后被调相器2调制正交偏振分量相位差，偏振态可写为其中，分别为本振光的幅度、频率、初始相位。
24.随后入射至第二偏振分束镜10，在第二偏振分束界面4处被分束成水平偏振的第一本振光和竖直偏振的第二本振光。其中，水平偏振的第一信号光和第一本振光同时到达第一非偏振分束镜11的分束界面两侧，在第一分束界面5处进行干涉，产生第一干涉光和第二干涉光，二者可分别写为竖直偏振的第二信号光和第二本振光同时到达第二非偏振分束镜12的分束界面两侧，在第二分束界面6处进行干涉，产生第三干涉光和第四干涉光，二者可分别写为
第一干涉光经第一直角棱镜13的第一反射界面7反射、第三干涉光经第二直角棱镜14的第二反射界面8反射后同时到达第一偏振分束镜9的分束界面两侧，在第一偏振分束界面3处进行偏振合束，产生第一混频光为第二干涉光经第一直角棱镜13的第一反射界面7反射、第四干涉光经第二直角棱镜14的第二反射界面8反射后同时到达第二偏振分束镜10的分束界面两侧，在第二偏振分束界面4处进行偏振合束，产生第二混频光为使用平衡探测器对第一混频光和第二混频光进行光电转换，产生的差分电流为其中，r为探测器的响应系数，为中频信号。
25.由于信号光的偏振变化是缓变过程，也是缓变的，可以根据输出信号大小，结合pid控制算法动态调节使得时，差分电流为可以明显看出，信号光的偏振角信息转化成了中频信号的相位信息，输出中频信号的振幅大小与偏振角无关，即信号光的任何偏振态起伏都不会影响到中频信号的幅度解调，也不会降低外差探测的接收灵敏度。因此，通过对第二本振光调节相位，可以消除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳定的光学混频。综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种偏振不敏感的空间光混频器，通过将输入信号光进行偏振分束，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，只需要对其中一个本振光分量进行调相，即可实现偏振不敏感光混频，而不受信号光偏振变化的影响。本发明适用于任意偏振态的信号光，结构简单，具有较高的稳定性。